高強度螺栓斷裂分析曾振鵬(上海交通大學高溫材料及高溫測試教育部重點試驗室，上海30)

摘要:采用斷口分析、金相檢查和硬度測定等措施，對高強度螺栓斷裂原因進行了分析。斷口分析成果表明，斷口平坦，呈放射狀把戲，微觀形態重要為準解理把戲，表明螺栓的斷裂是脆性斷裂;同步發現，在斷口附近還存在橫向內裂紋，內裂紋的斷口形態與斷裂斷口同樣。金相分析表明，材料棒中存在嚴重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起斷裂的重要原因。關鍵詞:高強度螺栓;準解理;橫向內裂紋;中心碳偏析

某廠生產的一批規格為M30×160mm的高強度大六角頭螺栓，在進行驗收試驗時發生斷裂。螺栓材料為35CrMoA，采用常規工藝生產，硬度規定為35～39HRC。1檢查1.1材料的化學成分用VD25直讀光譜儀進行了材料化學成分分析，分析成果(質量分數)列于表1。從表1可以看出，材料的化學成分符合原則規定。

1.2硬度測定硬度測定成果列于表2。由表可見，螺栓材料硬度雖符合技術規定，但已靠近上限。

1.3材料的顯微組織(1)在拋光態下，可見材料中具有較嚴重的夾雜物，其形態、分布見圖1。對照原則[2]，夾雜物級別為3～4級。

圖1夾雜物形態及分布狀況100×

圖2螺栓的顯微組織280×

4%硝酸酒精溶液侵蝕

(2)顯微組織見圖2。組織為回火馬氏體+粒狀貝氏體，并有少許鐵素體。從圖2可明顯看出，組織中存在嚴重偏析，出現回火馬氏體和粒狀貝氏體帶，致使顯微組織不均勻，并且在回火馬氏體帶中存在MnS夾雜。對樣品螺紋根部附近的組織進行了觀測，未發現脫碳現象。1.4斷口分析(1)圖3a為斷口的宏觀形貌，斷口較平坦，表面呈灰色，有明顯的扯破脊，呈放射狀把戲，放射線從中心向四面發射。表明裂紋先在中心形成，然后向外擴展。當裂紋擴展至整個橫截面時，螺栓斷裂。

圖3斷口的宏觀形貌

圖4斷口微觀形貌(2)斷口的微觀形態基本上以準解理把戲為主，尚有某些二次裂紋，如圖4所示。從斷口的宏觀和微觀分析可知，斷裂斷口為脆性斷口，裂紋來源于中心部位。裂紋產生后向四面擴展，直至螺栓斷裂。1.5螺紋部位橫向內裂紋(1)在制取金相試樣時，發現試樣螺紋部分至少尚有1～2個垂直軸線的橫向內裂紋，其縱截面形態見圖5，似人的嘴形。打開內裂紋，發現其面積已基本占據了整個橫截面，其形態與斷裂斷口十分相似。圖3b為它的宏觀形貌。從斷口的宏觀形態上可以看出，裂紋面較平坦，呈灰色，有明顯的呈放射把戲的扯破脊，放射線是從中心向四面放射的。比較圖3a和圖3b可以看出，它們的形貌是相似的。裂紋斷口的微觀形態也是以準解理把戲為主加二次裂紋。斷口的宏觀、微觀分析表明，該內裂紋斷口與斷裂斷口本質上是同樣的。(2)將剩余部分的螺栓沿中心縱向剖開，用10%硝酸溶液侵蝕，發現材料心部有嚴重的碳偏析，存在明顯的流線，見圖6。這與金相觀測成果是一致的。

對存在偏析的顯微組織進行顯微硬度測定，發現偏析中的回火馬氏體區域的硬度為48.2HRC，大大高于粒狀貝氏體區域的硬度(35.5HRC)。

圖5螺紋部位的橫向內裂紋縱截面形態

圖6螺栓材料內部的碳偏析2分析與討論2.1螺栓的橫向內裂紋化學成分分析表明，螺栓材料的化學成分符合35CrMoA鋼的原則成分，其硬度也在技術規定范圍內(但已靠近上限)。不過從金相分析成果可以看出，材料的內在質量較差，心部存在碳偏析，不僅減少了材料的韌性和塑性，并且由于組織不均勻，引起心部硬度不均勻，最高硬度已達48HRC。同步，材料中存在嚴重的夾雜物，致使螺栓心部材料硬而脆，因此施加載荷后首先在心部產生裂紋，而后形成橫向內裂紋。所謂鋼材的碳偏析是指鋼材內各部位含碳量的不均勻性。碳偏析是樹枝狀偏析的成果，而樹枝狀偏析又是選擇結晶的成果。鋼在結晶時，先形成枝干，然后形成枝間，先結晶的枝干比較純，碳濃度較低，而遲結晶的枝間碳濃度較高，形成碳分布不均。若鋼材或鍛件樹枝晶發達，則鋼的塑性和韌性減少，這種狀況尤以中碳鉻鉬鋼最為普遍，在壓力加工時會形成流線，樹枝晶偏析嚴重時還可使鍛件破裂[3]。碳偏析是在冶金過程中由于種種原因導致的。緊固件原材料中的嚴重碳偏析會導致緊固件經熱處理后各部位力學性能的明顯差異。文獻[4]報道，有一批某型汽車上的45鋼螺栓，在使用中持續發生斷裂事故，經檢查發現，斷裂是由心部開始，整個斷口呈放射狀脆斷形貌，將這批螺栓所用鋼材沿其軋制方向剖開，發目前試樣中心存在著內部裂紋，經酸蝕后可看出嚴重的中心碳偏析。因此，可以認為，本例螺栓受載荷后產生脆性斷裂和存在橫向內裂紋是與螺栓材料內存在中心碳偏析有關。2.2內裂紋為何內裂紋不象斷口裂紋那樣使螺栓斷裂呢?這是由于擰緊螺母后，在螺桿上產生的軸向拉力分布是不均勻的，軸向力在旋合各圈羅紋牙間的分布呈雙曲余弦函數關系，第一圈羅紋牙承受的軸向力最大，然后依次減小[5]。由于與橫向內裂紋相對應的螺紋處的軸向應力小，因此螺栓沒有斷裂。2.3材質雖然螺栓材料的化學成分符合35CrMoA鋼原則，但其夾雜物含量較高(3～4級)，且存在中心碳偏析，因此認為，該批螺栓的材質是不合格的。3結論(1)螺栓的斷裂為脆性斷裂。(2)斷裂的原因是由于螺栓材質不良———原材料棒中存在中心碳偏析以及嚴重的夾雜物。4提議(1)加強對原材料的質量檢查。(2)為了提高螺栓材料的綜合力學性能，硬度控制在技術規定的中限附近。40Cr鋼螺栓斷裂分析劉澤坤(湖北江山機械廠，襄樊441003)

摘要：采用金相檢查、硬度測試及化學成分分析等措施對變速箱制動鼓定位螺栓斷裂的原因進行了分析。成果表明，由于零件在熱加工后未按規定進行熱處理，導致出現非正常組織，減少了零件的硬度和強韌性，加上零件肩胛根部沒有過渡圓弧易導致應力集中，因此在裝車使用后很快便發生了螺栓斷裂失效。關鍵詞：螺栓;斷裂；顯微組織；應力集中；鐵素體

1狀況簡介我廠生產的某型號的變速箱在裝車使用后很快，即發生了一批變速箱制動鼓定位螺栓斷裂事故，斷裂部位均發生在截面急劇變化的肩胛處。由于該批螺栓系外購件，其熱處理工藝尚不十分清晰。按設計規定，該批螺栓為M14螺栓，其長度為55mm，材料為40Cr，熱處理后調質硬度為255～321HBS，表面經軟氮化處理，規定氮化層深度為0.05～012mm，硬度為35～50HRC，相稱于329～509HV。2理化檢查2.1化學成分分析從螺栓上取樣進行化學成分分析，成果列于表1?？梢娐菟ǖ幕瘜W成分符合GB/T3077-1999的規定。2.2宏觀斷口分析斷裂發生在螺栓肩部與桿部連接處，見圖1。按設計規定，桿部與肩部連接端應有滾花，長約10mm，其連接處應留R為0.5mm的過渡圓弧。從斷裂零件的肩部可見到明顯的因滾花留下的擠壓痕跡，闡明滾花時已滾到零件的肩胛部，在連接處沒有過渡圓弧。斷口表面較平整，無肉眼可見的宏觀塑性變形，斷裂零件表面亦未見明顯的機械損傷痕跡，屬一次性脆性斷裂。2.3硬度測試將斷裂螺栓兩端磨平后進行硬度測試，測得心部硬度為235～250HBS，硬度偏低。表面硬度為465～485HV，屬于正常的軟氮化硬度。

圖1螺栓斷裂部位示意圖(mm)2.4金相檢查從螺栓斷裂部位取樣進行金相檢查，心部組織為網狀鐵素體+珠光體，并有少許呈針狀的鐵素體，由晶界向晶內延伸，展現輕微的魏氏組織狀態，見圖2。

圖2斷裂螺栓心部組織照片400×

圖3正常調質螺栓心部組織照片400×

4%硝酸酒精溶液侵蝕

4%硝酸酒精溶液侵蝕在R和滾花交界處沿縱向制樣觀測，基體材料中非金屬夾雜物含量較少，符合國標規定，其近表面組織與心部組織基本相似，為珠光體+少許網狀鐵素體。從使用正常未曾斷裂的另一批螺栓上取樣進行金相檢查，在光學顯微鏡下，螺栓的顯微組織為均勻回火索氏體，見圖3。3成果分析由于該批零件是制動鼓定位螺栓，使用時承受較大的交變載荷，故規定零件應具有較高的強度和很好的沖擊韌性。根據成分分析可知，該零件所用材料的化學成分符合GB/T3077-1999中40Cr鋼的規定，可排除因材料錯用而導致的斷裂。從金相組織上看，由于該批零件心部組織是珠光體及少許鐵素體，且鐵素體呈網狀分布，部分呈針狀分布，這種組織同一般40Cr鋼鑄造正火組織極為相似[1]。闡明該批零件并未按規定進行調質處理，也許只是頭部鐓成型后進行正火處理。由于這種網狀鐵素體的存在，破壞了組織的持續性，導致基體強度明顯減少，塑、韌性下降。有資料表明[2]，鋼件中魏氏組織的存在，使材料的力學性能明顯下降，尤其是沖擊韌性下降諸多。這種組織的形成是由于零件在熱加工過程中的終鍛溫度過高而冷卻又過緩，導致了鐵素體沿晶界呈網狀析出。這種不良組織狀態是導致零件斷裂的主線原因。從零件斷裂的部位上看，斷裂發生在肩胛的根部，由于該處沒有過渡圓弧，輕易形成應力集中，變速箱制動時，必然會加大對螺栓施加各方向應力，當應力超過其斷裂強度時，導致在應力集中的微弱處斷裂。4結論螺栓斷裂的主線原因是由于零件在熱加工后，未按熱處理工藝規定進行處理，導致零件組織狀態不良，硬度偏低，強韌性較差。加之零件機加工時，肩胛根部沒有過渡圓弧，導致應力集中，一但受力較大必將導致沿圓周倒角處斷裂。日本愛信用高強度螺栓材質SCM440（主減齒圈連接螺栓）40Cr鋼的最大屈服強度：試樣毛坯尺寸（mm）：25熱處理：第一次淬火加熱溫度（℃）：850；冷卻劑：油第二次淬火加熱溫度（℃）：-回火加熱溫度（℃）：520；冷卻劑：水、油抗拉強度（σb/MPa）：≥980屈服點（σs/MPa）：≥785斷后伸長率（δ5/%）：≥9斷面收縮率（ψ/%）：≥45沖擊吸取功（Aku2/J）：≥47布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高溫回火狀態）：≤42CrMo鋼的機械性能●特性及合用范圍：

強度、淬透性高，韌性好，淬火時變形小，高溫時有高的蠕變強度和持久強度。用于制造規定較35CrMo鋼強度更高和調質截面更大的鍛件，如機車牽引用的大齒輪、增壓器傳動齒輪、后軸、受載荷極大的連桿及彈簧夾，也可用于m如下石油深井鉆桿接頭與打撈工具等。

●化學成分：

碳C：0.38～0.45

硅Si：0.17～0.37

錳Mn：0.50～0.80

硫S：容許殘存含量≤0.035

磷P：容許殘存含量≤0.035

鉻Cr：0.90～1.20

鎳Ni：容許殘存含量≤0.030

銅Cu：容許殘存含量≤0.030

鉬Mo：0.15～0.25

●力學性能：

抗拉強度σb(MPa)：≥1080(110)

屈服強度σs(MPa)：≥930(95)

伸長率δ5(％)：≥12

斷面收縮率ψ(％